BioNyt - Videnskabens Verden
Kilde
nr. 11202
Ny forskning om krystaller af guld - artikel i Nature Communications
Ny forskning om krystaller af guld - foto fra artiklen - bragt her i en Nature webside
Ny forskning om krystaller af guld - omtale i avisartikel
Guld er blevet "dyrket" for første gang i verden af forskere ved Technion-Israel Institute of Technology i Haifa. I hvert fald har man opnået en kunstige, porøse, svampelignende dråber af enkelt-krystaller af guld.
Gennembruddet blev udført af ph.d.-studerende Maria Koifman-Khristosov under vejledning af professor Boaz Pokroy for Materialeteknik, og en rapport om studiet er blevet offentliggjort i det ansete tidsskrift Nature Communications.
Motivationen i udviklingen af den nye teknologi er rent videnskabelig, men disse materialer kan tænkes at have mange potentielle anvendelser.
Enkelt-krystaller (single crystals) har flere fordele som følge af fraværet af de atomare grænser, der er karakteristiske for 'normale' krystaller. Disse fordele kan være større mekanisk styrke, høj modstandsdygtighed over for varme og forbedret ledning af elektricitet og varme. "
Forskerne er blevet inspireret af biologiske dannelser af enkeltkrystaller, som har porøse overflader helt anderledes end de klassiske krystallers regelmæssige overflader. Det viste sig, at sådanne nanoporøse enkeltkrystaller af guld kan dyrkes ved at guldet i en "eutectic composition"-smeltet form bliver til et fast stof. Det var muligt for forskerne at få de porøse guld-enkeltkrystaller til at få bestemte størrelser.
En normal krystaldannelse starter med en igangsættelsesproces, kaldet nucleation, og
krystallens vækst sker på en måde, som er dikteret af den atomiske struktur af krystallen og på en sådan måde, at de forskellige krystallinske planers såkaldte frie energi bliver mindst mulig. Dette er en langsommere proces, så forskernes enkeltkrystaldannelse af en nanoporøs gulddråbe er simpelthen hurtigere. I levende organismer ser man ofte krystaller, som har afrundede, uregelmæssige eller porøse former, dvs. ikke som de klassiske krystaller med strengt styrede krystalplaner. Sådanne amorfe enkeltkrystaller kan dannes ud fra en udgangsmateriale, som selv har en amorf form.
Man har tidligere vist, at amorfe calcit-enkeltkrystaller kan frembringes - igen inspireret af, hvad man har fundet i organismer.
Man har også frembragt polykrystallinske former af metaller, som kaldes PMM (porøse metalmaterialer), og som tænkes at have forskellige anvendelsesmuligheder inden for kemisk forskning, medicin, miljøforskning, energilagringsteknologi mv. Når man kan styre form, størrelse og fordeling af porerne kan man opnå specifikke ændringer i overfladeareal, permeabilitet og kapillærvirkning mv. Det kan udnyttes med hensyn til katalytisk aktivitet, filtrering, separation, varmeudveksling, brændselsceller mv. Nanoporøse metaller kan fremstilles ved at afsætte metallet i et andet porøst, gummilignende materiale, eller ved at fjerne bestemte metaller i en legering af flere metaller. Nanoporøs guld har anvendelsesmuligheder som katalysator, sensor, "aktuator" [http://www.nature.com/ncomms/2015/151110/ncomms9841/full/ncomms9841.html#ref25],og elektroder til elektrokemiske anvendelser. Det nanoporøse guld har meget lavere tæthed end fast guld, men alligevel mindst lige så stor styrke og meget større overfladeareal. Man har kunnet fremstille nanoporøst guld ud fra en guld/sølv-legering ved selektivt at fjerne sølvet ved at udsætte legeringen for en salpetersyre-opløsning.
Men der vil være forskelle i egenskaberne på polykrystallisk guld og enkelt-krystallinsk guld. På grænsefladerne mellem krystallerne i et polykrystallinsk guldmateriale vil der forekomme øget spredning af elektronerne hvilket medfører øget elektrisk modstand i et polykrystallinsk materiale. Et enkeltkrystallinsk materiale vil altså have større elektrisk ledningsevne, og desuden er der mulighed for at udvælge, hvilken 3D-rumlige krystallografiske orientering enkeltkrystallerne skal have. Eftersom sådanne enkeltkrystallinske nanoporøse materialer har højere elektrisk ledningsevne kan man forvente, at de vil have større effektivitet som elektroder for elektrokemiske superkapacitorer. En anden fordel ved fraværet af grænsefladerne mellem krystallerne i et enkeltkrystallinsk materiale er en højere varme-stabilitet. Dette skyldes at der ved grænseflader mellem krystaller kan diffundere mere varme, hvilket altså ikke sker, når der ikke er sådanne grænseflader i materialet. En højere varme-stabilitet kan være nyttig, når sådanne materialer anvendes til katalyse, når der kræves temperaturer på20-200 °C. Nanoporøst guld er netop interessant som anvendelse i katalytiske funktioner.
Dyrkningen af nanoporøst enkeltkrystallinsk guld i mikrometer-skala kan ske ved en simpel metode, som man bare hidtil ikke har haft kendskab til. Der er tale om en selv-dannelsesproces, som er drevet af varme (termodynamic driven self-formation). Tynde film af to komponenter inddampes på en ikke-reaktiv overflade, efterfulgt af opvarmning til over materialets eutektiske temperatur (eutectic temperature). Denne procedure får de to tynde filmlag til at smelte og frembringe en eutektisk smelte på overfladen. På grund af den lave overfladeenergi i det valgte substrat sker der en "dewetting" og isolerede dråber af smeltemassen frembringes over hele substratets overflade. Hurtig afkøling fastholder formen af både dråberne og den eutektiske mikrostruktur. Ved derefter selektivt at ætse en af komponenterne væk opnås en porøs enkeltkrystallilnsk struktur af den anden komponent. Forskerne kunne demonstrere dette generelle princip i et Au-Ge (guld/germanium) eutektisk system, hvorved der blev frembragt nanoporøse enkeltkrystaller af guld.
Som den ikke-reaktive overflade bruges SiO2. Afkøling til under den eutektiske temperatur resulterede i dannelse af fast stof (solidification) af den eutektiske væske. Våd ætsning af prøven til fjernelse af germanium efterlod dråber af porøst guld. Billedet af disse dråber er taget med scanning-elektronmikroskop (HRSEM, high-resolution scanning electron microscopy). Ved hjælp af røntgenstråle-spektroskopi kunne det vises, at alt germanium var fjernet under ætsningsprocessen. Ved hjælp af en fokuseret ion-stråle (FIB, focused ion beam), kunne man vise et mikrostruktur-tværsnit af guld-dråberne.
Dråberne blev undersøgt med TEM (transmission electron microscopy), hvorved man konstaterede et diffraktionsmønster, der er karakteristisk for en enkeltkrystal af guld.
En yderligere karakterisering af guldkrystalmaterialet blev foretaget ved hjælp af Synchrotron scanning diffractometry (udført på European Synchrotron Research Facility (ESRF) i Grenoble, Frankrig), Man konstaterede samme scanning-diffraktion over hele gulddråbens tværsnit som evidens for at der er tale om en enkeltkrystal.
Ved at ændre på hastigheden for afkølingen kan forskellige størrelser for mikrostrukturerne og nanostrukturerne opnås. Hurtig afkøling med 35°C pr. sekund gav et forhold mellem guld og germanium på næsten lige meget af hver, medens langsom afkøling (0.6 °C pr. sekund), medførte 7-8 gange mere guld end germanium.
Et gram guld ville i form at det nanoporøse materiale fylde 3 kvadratmeter.
Metoden kaldes en "eutectic decomposition method".
Sammenligning med den hidtil kendte metode med ætsning af legeringer (dealloying-metoden) viste, at den gamle metode krævede højere temperatur, længere behandling og medførte skader i randenaf de porøse partikler samt sprækker og områder mere grovere struktur. Med den nye metode var der ikke sådanne skader og ingen områder med grovere struktur.
Den hidtidige "dealloying"-mekanisme er en ‘top-down’ fremgangsmåde. Ved den nye metode vokser de porøse enkeltkrystaller fra en flydende fase ved eutektiske omlejring (eutectic decomposition), hvilket er en spontan ‘bottom-up’-fremgangsmåde. Væksten af den porøse enkeltkrystal sker hurtigt, når der anvendes den nye metode, og er en selvdannende proces. Der dannes en nanoporøs enkeltkrystal af guld, hvor germanium kun findes i porerne. Metoden er simpel, hurtig og billig.
En af de lovende anvendelser af nanoporøst guld er katalytiske oxidationer ved lav temperatur (dvs. 20–200 °C).
Forskerne har beregnet, at der med den nye metode kan dannes enkeltkrystaller af guld på op til flere hundrede mikrometer i størrelse. Dette åbner døren for nye teknologiske muligheder, skriver de.
På et silicium-lag inddampedes et lag på 100 nm SiO2 ved opvarmning til 1100 °C. Oxidlaget sikrede, at silicium-atomerne ikke kunne vandre væk. Et 150 nm filmlag af guld blev ved stuetemperatur og højt vakuum inddampet på siliciumoxid-laget, og derefter inddampedes et germanium-filmlag på 78 nm. (Der benyttedes en såkaldt "e-beam-equipped AircoTemescal FC-1800 evaporating system" til inddampning af guld og derefter germanium). Filmlagene blev smeltet sammen (f.eks. ved 550 °C i 5 min i en "annealer". Defter foretoges en "våd-ætsning" i to trin: (i) neddypning i en opløsning af NH4OH:H2O2 (1:25% vol) i en time, derefter rensning i deioniseret water og derefter i ethanol; (ii) neddypning i en KOH-opløsning (1.25 M) i 16 timer og rensning igen.
Kildetekst:
Technion ‘mines’ gold crystals in lab
Gold – at least an artificial, porous, single crystal of the precious metal – has been “grown” for the first time in the world by scientists at the Technion-Israel Institute of Technology in Haifa.
The breakthrough achievement was conducted by doctoral student Maria Koifman-Khristosov under the guidance of Prof. Boaz Pokroy of the science and materials engineering faulty; the report has just been published in the prestigious journal Nature Communications.
“Our motivation in developing the new technology is purely scientific,” said Koifman-Khristosov, “but these materials clearly have many potential applications.
Single crystals have multiple advantages resulting from the absence of the nuclear boundaries characteristic of ‘normal’ crystals. These advantages include mechanical strength, high resistance to heat and enhanced conduction of electricity and heat.”
Hvis linket er ændret kan den oprindelige tekst fås ved at sende en mail: bionyt@gmail.com